Filtering of interstellar dust in the heliosphere

Sterken, Veerle Jasmin

Der Raum zwischen den Sternen enthaelt Gas und interstellarem Staub (IS), die mit astronomischen Methoden, sowie durch in-situ Messungen von Raumsonden im Sonnensystem beobachtet werden. Jedoch existieren noch viele Fragen ueber die Zusammensetzung, die Morphologie und Groessenverteilung des IS, welche mehr und verbesserte Messungen erforderen. Um diese Beobachtungen zu interpretieren wird ein besseres Verstaendnis des IS-Flusses durch das Sonnensystem benoetigt. Auch ist die Modellierung fuer die Gestaltung und Optimierung zukuenftiger Missionen mit IS Messungen notwendig. Diese Arbeit modelliert den Fluss des IS durch das Sonnensystem unter Beruecksichtigung der Gravitation und des Strahlungsdrucks der Sonne und der Lorentz-Kraft, die aus der Bewegung der geladenen Koerner im interplanetaren Magnetfeld resultiert. Der Einfluss dieser Kraefte auf die Bahnen, Dichten und Fluesse wurde systematisch durch Simulation von Staubtrajektorien ueber einen grossen Bereich von IS-Eigenschaften untersucht. Auch die IS-Groessenverteilung im Sonnensystem haengt stark von den Staubeigenschaften, der Position im Sonnensystem und der Zeit im solaren Zyklus ab. Solche modifizierten Groessenverteilungen werden fuer feste Positionen entlang der IS Stroemungsachse und fuer sich bewegende Objekte wie Saturn, Jupiter und den Main-Asteroid Ceres diskutiert. Die Auswirkungen fuer die spezifischen Missionen Cassini, JUICE und Stardust werden untersucht. Die Vorhersage des IS-Fusses fuer Cassini zeigt, dass zwischen 2010 und 2017 der Fluss fuer kleine Teilchen maximal ist. Fuer JUICE zeigen die Simulationen, dass es eine optimale Gelegenheit fuer IS Beobachtungen im Jahr 2030 gibt. Schliesslich werden die Simulationensergebnisse fuer die Stardust Mission mit den vorlaeufigen Ergebnissen (IS Proben) des Stardust Teams verglichen. Die Beobachtungen koennen zwar nicht als Beweis erachtet werden, sind aber durchaus kompatibel mit einem interstellaren Ursprung der IS Kandidaten.

The space between the stars is filled with gas and interstellar dust (ISD) which has been observed by astronomical methods as well as by in-situ measurements of spacecraft in the solar system. Many questions on the composition, morphology and size distribution of ISD still exist today which require more and improved measurements. Modeling and understanding of the ISD flow through the solar system is needed to interpret these observations. Also, the modelling is necessary for designing and optimizing future ISD missions. The work in this thesis follows the ISD flow through the solar system taking into account solar gravity, solar radiation pressure force and Lorentz force resulting from the motion of the charged grains through the interplanetary magnetic field. The influence of these forces on the trajectories, densities and fluxes were systematically studied by simulating dust trajectories over a large range of grain properties. Also the ISD size distribution in the solar system varies strongly with grain properties, location in the solar system and time in the solar cycle. These modified size distributions are discussed for a fixed position along the ISD flow axis and for moving objects like Saturn, Jupiter and the main-belt asteroid Ceres. Implications for specific missions (Cassini, JUICE and Stardust) are studied too. The ISD flux predicted for Cassini at Saturn reveals that between 2010 and 2017 the flux of different smaller sizes of the grains is maximum at different times. For the JUpiter ICy moons Explorer (JUICE), the simulations showed that there is an optimum opportunity for ISD observations just before and at arrival of the spacecraft at Jupiter in 2030. Finally, the simulation results for the Stardust sample return mission were compared to the preliminary findings (ISD samples) of the Stardust Team. The observations cannot be taken as a proof, but are compatible with an interstellar origin of the ISD candidates.

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Sterken, Veerle Jasmin: Filtering of interstellar dust in the heliosphere. 2012.

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